地球深处的时光胶囊：科学家发现两座远古“超级地幔岛”

如果把地球比作一个巨大的洋葱，人类至今才勉强剥开它的最外层。

在薄薄的地壳之下，隐藏着厚达2900公里的地幔层——这里没有岩浆翻滚的炽热地狱，也没有科幻电影中的地心文明，有的只是缓慢蠕动的固态岩石。

科学家曾长期认为其质地如同均匀搅拌的浓稠焦糖，但近年发现其中存在未充分混合的巨型区域，犹如曲奇饼中未融化的巧克力块。最新研究正逐步揭开这些地质“团块”的神秘面纱。

地壳之下数千公里处有两座“超级地幔岛”，分别位于非洲和太平洋下方，该图为利用地震层析成像推断出的“超级地幔岛”LLSVPs图（图片来源：维基百科）

地幔深处的 “超级地幔岛”

在地球地幔深处，潜藏着两块巨型“岛屿”，每块面积堪比大陆。乌得勒支大学的最新研究表明，这些区域不仅比周围已知俯冲板块的其他结构更热，且历史极为悠久，可能已有 10 亿年历史。这表明地球的地幔可能不像我们想象的那样运作，流动速度可能没有预期的那么快，混合程度也可能没有预期的那么好。

“超级地幔岛”LLSVPs 的位置以及地震波速度和衰减的地球横截面示意图。左图颜色从冷到暖代表温度的从低到高；右图中颜色从冷到暖代表地震波的速度降低的从多到少。（图片来源：乌得勒支大学）

故事要从50年前说起。当地震学家分析全球强震数据时，发现了一个诡异现象：当强烈地震产生的震波穿越地球时，某些穿过地球的地震波会在非洲和太平洋下方突然“腿软”，速度显著减缓2%，仿佛踩进了看不见的泥潭。

科学界因此将这些区域命名为大型剪切波低速体（large low shear velocity provinces, LLSVPs）。

经过数十年观测表明，这些古老被埋藏的“超级地幔岛”被发现隐藏在非洲和太平洋之下，距离地球表面约2900公里。

而波速减缓是因为LLSVPs温度更高，就像炎热天气中跑步速度会变慢一样，但关于其成分、沉降时间及对地幔对流的影响，科学家们对此知之甚少。

三维衰减模型突破

近期，研究团队采用创新方法分析“超级地幔岛”LLSVPs的组成与活动特性。除波速外，他们首次系统测量了地震波穿过地幔时的衰减（能量损耗）强度。结合波速与衰减数据，研究者得以窥见LLSVPs的深层特征。

板块俯冲过程示意图以及从 LLSVP 升起的地幔柱。图中右边LLSVP的矿物颗粒比左边俯冲板块中的矿物颗粒大。（图片来源：乌得勒支大学）

地幔主要由橄榄石等矿物构成，这些矿物的晶粒大小决定了岩石的“性格”。从俯冲带沉入地幔的冰冷板块，就像被丢进碎纸机的文件，在高温高压下碎成细密晶粒。

地幔深处除“超级地幔岛”外，周边还分布着由俯冲板块构成的俯冲板块积聚，这些区域温度较低，地震波传播更快。

但新模型显示，“超级地幔岛”LLSVPs虽使波速降低，却未造成明显能量损耗；相比之下，周边积聚区域表现出强烈衰减。

这种差异源于构造年龄。随着岩石在上下地幔边界沉降，矿物晶体经历压缩与重结晶，形成细小晶粒并随时间缓慢生长。

细晶结构因晶界密集会显著削弱波能，年轻区域因晶粒细小会导致强衰减，而“超级地幔岛”LLSVPs的低衰减特性揭示其晶粒尺寸远超周边区域，暗示其形成年代远早于周边积聚区域。

因为这种粗晶结构赋予超级地幔岛刚性，使其脱离地幔对流运动。研究证实“超级地幔岛”LLSVPs是至少存在5亿年的长期稳定构造，这意味着地幔并非充分混合体。

电影《地心历险记（Journey to the Center of the Earth）》剧照

从凡尔纳笔下的地心冒险，到今日科学家解读地震波密码，人类对地球内部的想象从未停歇。这两座超级地幔岛的发现，让我们得以窥见地球史诗的冰山一角。

随着人工智能与量子计算的发展，我们有望建立更精确的地幔模型，这些研究可能解锁地球的 “自我修复” 机制，帮助我们预测并控制地震、火山等自然灾害。或许在本世纪末，人类将首次绘制出完整的地球内部结构图。

未来某日，或许人类永远造不出《星际迷航》中的曲速引擎，但能读懂脚下2900公里处的地震波密码，何尝不是另一种星际穿越？这些沉睡的超级地幔岛提醒着我们：最伟大的冒险，未必在星辰之间。

参考资料：

https://scitechdaily.com/buried-continents-ancient-mega-islands-discovered-deep-beneath-earths-surface/

https://www.newsweek.com/earth-buried-supercontinents-llvp-seismology-geomagnetic-field-2038738

https://igg.cas.cn/xwzx/cutting_edge/202205/t20220505_6442589.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Large_low-shear-velocity_provinces

编译：杨雨鑫

策划：刘颖 张超

李培元 杨柳

审核：中国科学院地质与地球物理研究所副研究员 董淼

来源： 蝌蚪五线谱